一种基于约束剪枝与多目标优化的里德堡原子EIT双光波长确定方法及系统

本发明涉及量子传感与原子物理计算，具体涉及一种基于约束剪枝与多目标优化的里德堡原子eit双光波长确定方法及系统。

背景技术：

1、1.现有技术概况

2、里德堡原子因其巨大的电偶极矩和对电磁场的极高灵敏度，近年来被广泛应用于宽频段（0~1thz）电磁场传感领域。基于里德堡原子的电磁感应透明（eit）效应是实现高灵敏度电场测量的主流方案之一。该方案的核心在于：需要精确设定探测光与耦合光的波长，使得原子体系满足双光子共振条件，从而在探测光谱中产生eit透射峰。

3、目前，行业内普遍采用以下两种方式进行双光波长的确定：

4、方式一：人工查阅能级数据库+手动计算。研究人员通过查阅nist原子光谱数据库或相关文献，手动查找里德堡能级数据，再利用量子力学公式计算能级差频率，反复迭代寻找与目标频率匹配的跃迁路径。该方法严重依赖研究人员的物理知识储备和经验判断，耗时长（通常需要数小时甚至数天），且容易出错。

5、方式二：使用通用科学计算软件（如matlab、python+arc库）编写脚本。研究人员自行编写程序调用arc（alkali rydberg calculator）等开源库的能级计算接口，通过穷举或网格搜索的方式遍历可能的量子态组合。该方法虽然实现了部分自动化，但仍存在以下问题：（1）搜索空间巨大，全量遍历耗时过长；（2）缺乏智能剪枝策略，大量无效计算浪费算力；（3）仅能输出频率匹配的解，无法兼顾跃迁信号强度，导致计算结果在实际实验中效果不佳。

6、2.现有技术存在的问题与缺点

7、（1）自动化程度低：现有方案均需要研究人员具备较强的原子物理和编程能力，无法被非专业人员直接使用；

8、（2）计算效率低：全量遍历或人工迭代的方式导致计算耗时严重，无法满足实时或近实时的实验参数配置需求；

9、（3）结果质量不稳定：仅以频率匹配度为唯一评价指标，忽略了跃迁偶极矩对信号强度的影响，导致输出的波长配置在实际eit实验中信号弱、信噪比低；

10、（4）缺乏系统性决策机制：当存在多个频率近似匹配的候选解时，缺乏有效的择优方法，往往依靠人工经验判断。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术存在自动化程度低、计算效率低、结果质量不稳定以及缺乏系统性决策机制的不足，本发明提供一种基于约束剪枝与多目标优化的里德堡原子eit双光波长确定方法及系统，通过“给定待测电磁波频率，快速确定满足eit双光子共振条件的探测光波长、耦合光波长及对应的里德堡量子态跃迁路径”这一过程，实现从人工经验迭代或低效的全量穷举搜索，转变为一种可自动执行、高效收敛、且能兼顾频率匹配精度与跃迁信号强度的计算方案。

2、根据本发明说明书的一方面，提供了一种基于约束剪枝与多目标优化的里德堡原子eit双光波长确定方法，包括：获取原子类型和目标频率；基于所述原子类型获取对应的原子参数；构建量子态决策变量空间；基于所述目标频率和原子参数，对所述量子态决策变量空间执行多层约束传播与解空间剪枝，以得到剪枝后的候选里德堡态对；对所述剪枝后的候选里德堡态对执行两阶段分级搜索与评估，以得到若干个候选解；将频率匹配精度与跃迁几率作为优化目标，从若干个所述候选解中识别出帕累托非支配解集，并通过多属性效用函数选取最优解；输出所述最优解对应的探测光波长、耦合光波长及跃迁路径量子态组合。

3、进一步地，所述量子态决策变量空间由多个决策变量构成，所述决策变量包括主量子数、角量子数、总角动量量子数；其中，主量子数的取值范围为，、分别为主量子数的取值上限、取值下限，角量子数的取值范围为，为角量子数的取值上限，总角动量量子数的取值范围为{}。

4、进一步地，基于所述目标频率和原子参数，对所述量子态决策变量空间执行多层约束传播与解空间剪枝，以得到剪枝后的候选里德堡态对，包括：第一层剪枝：基于跃迁选择定则，从中间态的已知角量子数值出发，获取角量子数的取值子集；第二层剪枝：基于角动量耦合规则，根据所述角量子数的取值子集，获取总角动量量子数的取值子集；第三层剪枝：基于所述目标频率的量级和原子参数，通过能级能量估算公式计算主量子数的预估中心值，并将所述主量子数的搜索区间压缩至所述预估中心值的有限邻域内；将经过三层剪枝后得到的主量子数、角量子数、总角动量量子数的所有取值进行组合，以得到若干候选里德堡态；遍历所有候选里德堡态，对每一候选里德堡态在其有限邻域内搜索相应的配对态，以得到剪枝后的候选里德堡态对。

5、进一步地，所述跃迁选择定则为：；所述角动量耦合规则为：。

6、进一步地，对所述剪枝后的候选里德堡态对执行两阶段分级搜索与评估，以得到若干个候选解，包括：第一阶段：遍历剪枝后的所有候选里德堡态对，调用第一原子物理计算接口计算每一候选里德堡态对的能级差频率，并计算所述能级差频率与目标频率的偏差绝对值；采用动态top-k策略保留偏差绝对值最小的k个候选解；第二阶段：仅对k个候选解，调用第二原子物理计算接口分别计算每一候选解的电偶极矩阵元绝对值。

7、进一步地，将频率匹配精度与跃迁几率作为优化目标，从若干个所述候选解中识别出帕累托非支配解集，并通过多属性效用函数选取最优解，包括：将所述偏差绝对值和电偶极矩阵元绝对值分别作为频率匹配精度和跃迁几率的量化指标；将频率匹配精度与跃迁几率作为优化目标，从所有候选解中识别出帕累托非支配解，构成帕累托非支配解集；通过预设的多属性效用函数，从所述帕累托非支配解集中选取综合评价值最高的帕累托非支配解作为最优解。

8、进一步地，所述原子参数包括基态能级能量、中间态能级能量以及探测光固定波长。

9、根据本发明说明书的一方面，提供了一种基于约束剪枝与多目标优化的里德堡原子eit双光波长确定系统，包括：参数获取模块，用于获取原子类型和目标频率；原子参数存储模块，用于基于所述原子类型获取对应的原子参数；约束剪枝模块，用于基于所述目标频率和原子参数，对构建的量子态决策变量空间执行多层约束传播与解空间剪枝，以得到剪枝后的候选里德堡态对；分级评估模块，用于对所述剪枝后的候选里德堡态对执行两阶段分级搜索与评估，以得到若干个候选解；多目标决策模块，用于将频率匹配精度与跃迁几率作为优化目标，从若干个所述候选解中识别出帕累托非支配解集，并通过多属性效用函数选取最优解；结果输出模块，用于输出所述最优解对应的探测光波长、耦合光波长及跃迁路径量子态组合。

10、根据本发明说明书的一方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行所述一种基于约束剪枝与多目标优化的里德堡原子eit双光波长确定方法。

11、根据本发明说明书的一方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行所述一种基于约束剪枝与多目标优化的里德堡原子eit双光波长确定方法。

12、上述技术方案，首先给定待测电磁波的目标频率；然后通过多层约束传播与解空间剪枝，将量子态决策变量空间压缩；随后结合两阶段分级评估策略，在压缩后的量子态决策变量空间进行搜索，以得到多个与目标频率的偏差绝对值最小的多个候选解；之后通过帕累托多目标优化，从多个候选解中选取在频率匹配精度与跃迁信号强度之间取得最优权衡的最优解；最后输出与最优解对应的探测光波长、耦合光波长及跃迁路径量子态组合。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

14、（1）自动化程度高：用户仅需选择原子类型并输入目标频率，系统即可自动完成全流程计算并输出可直接用于实验的光波长参数，无需掌握原子物理专业知识或编程技能。

15、（2）计算效率显著提升：通过三层约束剪枝，将量子态搜索空间压缩至原始空间的10%以下；结合两阶段分级评估策略（仅在快筛阶段进行轻量级计算，精评阶段仅对少量候选解进行重量级计算），整体计算耗时控制在5分钟以内，较传统穷举法提升效率10倍以上。

16、（3）输出结果质量优：通过帕累托多目标优化，在频率匹配精度与跃迁信号强度之间取得最优权衡，避免了传统方法“仅追求频率匹配而忽略信号强度”的缺陷。输出的波长配置在实际eit实验中可获得更强的透射峰信号和更高的信噪比。

17、（4）通用性强：原子参数库可预置多种原子类型（如铯133、铷85、铷87）的能级数据，剪枝规则和计算接口均与原子类型解耦，因此本发明可适用于不同原子种类和0~1thz宽频段范围。